安蒙蒙楊洪海*吳亞紅張衛(wèi)鋒丁振芳

1東華大學環(huán)境科學與工程學院

2無錫方盛換熱器股份有限公司

0 引言

板翅式換熱器具有換熱效率高、結構緊湊等優(yōu)點[1]，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和能源的緊缺，伴隨生產(chǎn)技術的現(xiàn)代化及高科技技術的快速化發(fā)展，對板翅式換熱器的性能提出越來越苛刻的要求。目前，板翅式換熱器已廣泛應用于石油化工、航空航天、電子、原子能、武器工業(yè)、冶金、工程機械等諸多領域[2-3]，其性能的好壞主要取決于翅片的傳熱與阻力特性。國內(nèi)對板翅式換熱器傳熱和阻力性能的研究如：王迎新[4]等采用風洞實驗，對4個廠家生產(chǎn)的同一型號的8個板翅式散熱器，進行了傳熱和阻力特性的實驗研究，得出生產(chǎn)工藝不同各廠家板翅式散熱器的傳熱性能和阻力特性有較大的差異。張小松[5]等對水-空氣板翅式換熱器的傳熱和阻力特性進行了實驗研究，擬合了空氣側對流換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)的準則關聯(lián)式。張衛(wèi)星[6]等對空氣-水板翅式換熱器的性能進行了分析，以實驗為基礎，給出了風-水系統(tǒng)下板翅式換熱器的j因子和f因子的計算方法。楊志、葛政寧[7-8]等對空氣-水蒸氣式板翅式換熱器進行研究，前者將實驗結果與經(jīng)驗關聯(lián)式進行對比，得出雷諾數(shù)由低向高過渡時，經(jīng)驗式計算所得性能參數(shù)存在不確定性，后者得出所研究板翅式換熱器的Re適用范圍。對空氣-空氣工質(zhì)的研究相對較少，其中魏進家[9]等采用實驗及數(shù)值模擬兩種方法對空氣-空氣式板翅式換熱器的流動和換熱性能進行了研究，擬合了傳熱因子和阻力因子的準則關聯(lián)式，試驗和模擬結果的最大誤差都在19%可接受的范圍之內(nèi)。并得出在層流狀態(tài)下，各對數(shù)因子與對數(shù)雷諾數(shù)成線性關系，為本試驗的研究提供了參考。

本文以空氣為冷熱介質(zhì)，利用風洞試驗臺對某工程機械鋁制板翅式散熱器的傳熱和阻力特性進行理論分析和試驗研究，分析其影響規(guī)律。

1 試驗裝置

該試驗在風洞試驗臺上進行，整個試驗裝置由試驗試件，試驗系統(tǒng)，測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四個部分組成。

本次研究的板翅式換熱器主要用于挖掘機、推土機等工程機械方面，對熱量的要求沒有大型工廠高。翅片是板翅式換熱器最基本、最核心的元件，是板翅式換熱器的二次傳熱表面，翅片的選擇對強化傳熱效果，達到更為理想的試驗效果具有重要作用。本試驗流體為低溫層流狀態(tài)，為了得到更好的試驗效果，冷空氣側選用層流狀態(tài)時傳熱強化效果較強的波紋翅片。熱空氣側選擇在相同壓力損失下比平直翅片傳熱系數(shù)高30%以上的鋸齒翅片。

1.1 試驗試件

試驗試件是一種鋁制板翅式換熱器，如圖1（a）。其中換熱器芯體的冷空氣側為波紋型翅片，如圖1（b），熱空氣側為鋸齒型翅片，如圖 1（c），試驗試件的具體型號及翅片結構參數(shù)見表1和表2。

圖1 試驗試件及翅片結構示意圖

1.2 試驗系統(tǒng)

風洞試驗系統(tǒng)如圖2所示，本次試驗的測試件是氣—氣換熱的中冷器，整個風洞試驗裝置主要分為冷空氣通道和熱空氣通道。通過控制風機的頻率，來改變冷空氣側入口流量，在冷熱通道中分別對冷、熱空氣進出口溫度，冷熱空氣流速，風洞兩端壓差和測試件兩端壓差，入口壓力等參數(shù)進行測量。

圖2 風洞試驗系統(tǒng)

利用空調(diào)箱調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，使冷空氣側的入口溫度為恒定狀態(tài)并維持在20±0.2℃。流量試驗室內(nèi)的壓力定為一個大氣壓。試驗中冷介質(zhì)為20℃的冷空氣，熱介質(zhì)為160℃的熱空氣，熱空氣側的流量控制在0.23±0.01 kg/s。

1.3 測量系統(tǒng)

1）冷空氣側入口風溫用Pt100熱電阻測量，出口風溫使用16對鐵-康銅熱電偶測量，使用標準的熱電偶儀進行校準標定。冷空氣側流速在測壓段測量，采用畢托管測量。冷空氣側的動壓采用數(shù)字微壓器進行測量。

2）熱空氣側入口壓力與溫度分別由壓力傳感器和溫度傳感器進行測量。流量由出口管道處的流量計測量，而測試件兩端的壓力差則由EJA530A壓差傳感器測定。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

整個試驗過程中所有傳感器測量信號采集是由智能數(shù)據(jù)采集模塊來完成并與計算機連接，完成數(shù)據(jù)的記錄和儲存。系統(tǒng)開機以后要多運行一段時間，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該實驗所用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在正式試驗前已預熱半小時。

2 理論分析

2.1 換熱量

空氣的換熱量，如式（1）、（2）：

式中：m表示質(zhì)量流量，kg/h；T表示溫度，℃；Q表示換熱量，W；Cp為空氣側定壓比熱，J/(kg·℃)；`、``分別表示流體的進口和出口狀態(tài)；1、2下腳標分別表示冷空氣和熱空氣。

平均換熱量，如式（3）：

冷空氣側傳熱系數(shù)，計算采用式（4）～（5）：

式中：K為冷空氣側傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為傳熱面積，m2；△Tm為對數(shù)平均溫差，℃。

2.2 傳熱因子和阻力因子的定義式

根據(jù)傳熱學理論，冷空氣側換熱系數(shù)與許多因素有關，因此引入無量綱參數(shù)傳熱因子與阻力因子，分別用來描繪對象的傳熱性能和阻力。

雷諾數(shù)Re：

傳熱因子j∶

式中：Gc為空氣側質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；De為當量直徑，m；μ 為動力粘度系數(shù)，kg/(m·s)；Pr為普朗特數(shù)；St為斯坦頓數(shù)；Cp為空氣側定壓比熱，J/(kg·℃)；a為空氣側對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Q1為冷空氣側換熱量，W；△T為空氣與換熱板間的溫差,℃；η0為翅片壁面效率；F為換熱面積，m2。

對于一般的傳熱計算，通常用努賽爾數(shù)作為對流換熱系數(shù)的表征。但在換熱器的設計及熱力計算中，常使用上述的斯坦頓數(shù)來表征空氣側對流換熱系數(shù)。通過傳熱因子的定義式，可以看出，傳熱因子也是一個表征對流換熱系數(shù)的無量綱參數(shù)。

若空氣進出口溫度相差相對較小，對其物性特征影響不大，則不考慮其隨著溫度變化引起的熱物理性質(zhì)變化。因此空氣在板束中流動的阻力因子f的定義式為：

式中：△P為冷空氣流過換熱器的壓降，Pa；ρ為空氣的密度，kg/m3；l為試件冷空氣側有效長度，m。

2.3 傳熱因子和阻力因子的經(jīng)驗式

對于波紋翅片來說，其結構較為復雜，計算過程也不易，容易受到波長與波幅的影響，因此至今未有實驗室繪制出相應的特性曲線圖。而在國外學者的研究中，得出了一些擬合公式，在簡化計算中可以用作參考。Sheik和Velraj[10]等學者在數(shù)值模擬的基礎上整理出來的波紋翅片傳熱因子與阻力因子擬合公式（100≤Re≤800時）如下：

式中：s，hf，A，Ld分別為翅片間距，翅片高度，翅片波幅，翅片波長。

3 試驗結果及分析

圖3為平均換熱量Q（W）隨入口風量G（m3/h）的變化曲線，可以直觀地看出，當流量繼續(xù)增大，平均換熱量逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定，這是由于在換熱面積一定的情況下，對某種特定的芯體來說，換熱量存在極限值。

圖3 平均換熱量隨入口風量的變化曲線

從圖3、4可以看出，隨入口風量的增加，總換熱量增大，冷空氣側進出口溫差減小，熱空氣側溫差增大。這是因為，隨著冷空氣側入口風量的增大，單位質(zhì)量的空氣在換熱器內(nèi)停留的時間縮短，影響其換熱效果。對于熱空氣側，在實驗過程中流量保持不變，當總換熱量增大時，其進出口溫差增大。

圖4 冷熱空氣側進出口溫差隨空氣流量的變化曲線

此外，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，探究冷空氣側流速對于換熱器的總傳熱系數(shù)和通風阻力的影響，得到相應的結果如圖5、6所示。

圖5 總傳熱系數(shù)隨入口風量的關系圖

圖6 通風阻力隨入口風量的關系圖

從圖5、6可以看出，冷空氣側傳熱系數(shù)與通風阻力都是隨著空氣流量的增大而增大，但兩者的上升趨勢稍有不同。這是因為空氣流量的增加，空氣在翅片間擾動加強，對流換熱系數(shù)增大，從而傳熱系數(shù)增大。同時，空氣與翅片之間的摩擦力增大，會導致通風阻力增大。

擬合出的冷空氣側傳熱系數(shù)K（W/(m2·℃)）與入口風量G（m3/h）的試驗關系式如下：

擬合出的通風阻力R（Pa）與入口風量G(m3/h)的試驗關系式如下：

對試驗中8種不同的空氣流量工況下的數(shù)據(jù)進行篩選和處理，分別得出定義式和經(jīng)驗式下j因子和f因子值。

圖7 j因子隨雷諾數(shù)Re的變化

圖8 f因子隨雷諾數(shù)Re的變化

從圖7、8可以看出，在整個測試工況的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，翅片的傳熱因子與阻力因子均隨著雷諾數(shù)的增加變化趨勢一致，均呈指數(shù)形式下降。該試驗結果與試驗工況相似的楊志[7]等的結果較接近，具有可靠性。但實驗結果明顯高于經(jīng)驗關聯(lián)式（傳熱因子最大偏差為0.40，阻力因子最大偏差達到3.58），這是由于經(jīng)驗關聯(lián)式適用的翅片尺寸范圍較廣，針對具體一種翅片尺寸，不能保證其精度。為了更好地服務于產(chǎn)品設計及工程應用，需要在實驗基礎上修正經(jīng)驗關聯(lián)式。

為此，針對本文研究的波紋型翅片，對經(jīng)驗關聯(lián)式進行修正，得到新的擬合關聯(lián)式：

4 結論

1）根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，分析了本次試驗用板翅式換熱器的平均換熱量，冷空氣側傳熱系數(shù)，通風阻力與入口風量之間的經(jīng)驗關聯(lián)式。研究表明，平均換熱量，傳熱系數(shù)及通風阻力隨著入口風量的增加而增加，后兩者的增幅分別為0.543、1.8675次方。

2）本次試驗流體處于層流狀態(tài)，對其傳熱和阻力特性進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著Re的增大，換熱器冷空氣側的j、f因子在逐漸減小。比較定義式和經(jīng)驗式下的j、f因子，其變化趨勢均與理論相符，但兩者計算值有所偏差，其中f因子偏差較大，并分析了造成該現(xiàn)象的具體原因。

3）常用的經(jīng)驗關聯(lián)式已不再適用于本次試驗用板翅式換熱器，為便于該換熱器的設計計算和選型，擬合出了新的j、f-Re關聯(lián)式，為今后鋁制板翅式換熱器在工程機械領域的應用及選型提供有效參考。